地球科學：從做中學
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第五章、板塊運動與地震

黃德源

2002/06/19

一、板塊構造理論

地球最外層為厚70到100公里的岩石圈，稱之為板塊。其下方為極具可塑性，厚達250公里的軟流圈。近三十年來，地球科學家建構出「板塊構造理論」來解釋地震的成因。他們認為地球的岩石圈分裂成歐亞大陸、北美洲、南美洲、太平洋、非洲、澳洲及印度與南極洲七大主要板塊，再加上如菲律賓、加勒比等其他小板塊，各板塊間以邊界互相接觸。板塊下方的軟流圈因為地函的熱對流作用而產生對流運動，隨而帶動其上方的板塊跟著運動。由於各對流圈的運動方向及速度並不一致，使受它們帶動的板塊間邊界運動方向，形態也不一致，板塊間運動的型態大致可分為分離板塊界線、聚合板塊界線、剪移板塊界線等三類。

(一)分離板塊界線：相鄰近的板塊互相分離，例如北美洲與歐亞大陸板塊，南美洲與非洲板塊。

(二)聚合板塊界線：相鄰近的板塊互相碰撞，如太平洋板塊與歐亞大陸板塊，歐亞大陸板塊與菲律賓板塊。

(三)剪移板塊界線：相鄰的板塊互相側擦，如美國西部北美洲板塊與太平洋板塊沿舊金山與洛杉磯間的聖安得利亞斯斷層(San andereas fault)互相滑移。

二、地震產生的原因

發生地震的原因不外乎下列數種：(1)斷層錯動，(2)火山活動，(3)岩溶塌陷，(4)隕石撞擊，(5)地函物質相變化，(6)地下核爆及其它人為因素等。按目前的瞭解，斷層錯動是發生地震最主要的原因，其發生次數最為頻繁，造成災害的機會也最大。火山活動引致的地震一般規模較小，影響範圍有限。岩溶塌陷一般限於卡斯特地形發育的石灰岩區，其引致的地震規模亦小。大的隕石撞擊可能會引起很大的地震，地球上雖留有隕石撞擊的痕跡，例如：美國亞利桑那州的梅提歐隕石坑(直徑約一公里)，但自有近代地震儀的百年以來，尚未有這一類地震的記錄。發生在地下數百公里深處的地震目前有一種說法，認為是地函物質因結晶構造突然轉變發生體積變化而產生地震。地下核爆產生的能量甚大(相當於一個中高規模的地震)，故亦為地震的來源。那些已公布的核爆為地震學者研究地球結構及震波傳播的最佳資料。此外，在建造大型水庫或在深井內灌水，施加外力或潤滑斷層面，都有誘發地震的記載。按目前的瞭解，斷層錯動是發生地震最主要的原因。其發生次數最為頻繁，造成災害的機會也最大。尤其是發生在陸地上的斷層錯動，更是造成災害性地震(disastrous earthquake)最主要的原因。

西元1906年，舊金山大地震後，一系列的災後調查工作使相關的學者們開始形成斷層活動產生地震的觀念。1911年，美國學者瑞德(Harry Fielding Reid)隨即提出「彈性回跳學說」，充分說明了聖安地列斯斷層發生巨大地震的機制。

當地殼受力時，其較柔軟的部份，例如斷層帶及其鄰近之受擾動的地層，較容易發生變形。地殼不斷的受力後，當斷層內部承受的剪應力超過斷層本身的剪力強度時，斷層即發生滑動。當滑動發生時，扭曲的地盤同時回彈，並向四面八方傳遞彈性波。這種彈性波傳至吾人的腳底，我們感覺到的也就是地震。

一般而言，斷層破裂的長度越長，地震的規模越大，而振動的強度也越強。但是，振動的強度會隨斷層距離之加大而減弱。沿斷層附近地帶通常也是地振動最激烈之處。

三、地震與斷層

地殼岩層發生斷裂錯動的地方就是斷層，斷層的形態依應力的性質而異，如果是向外拉扯的張力，就會造成斷層面的一側地層向下滑動，稱為「正斷層」，如果是擠壓的力量，則會造成一側被脊而向上滑動的「逆斷層」，如果是水平方向的剪力，則會造成斷層兩側向左或向右移位的「平移斷層」，事實上，地震發生時平移斷層與垂直移動的斷層常同時發生，兩者組合而成「斜滑斷層」。

台灣島的前身是位於歐亞大陸東緣海底厚層的沉積層，六百萬年前，開始了蓬萊造山運動，太平洋板塊西側的菲律賓板塊由東南方向向西北擠撞歐亞大陸板塊，海底的沉積層受到擠壓不斷地隆起—抬升—彎曲—斷裂，造就出現今中央山地高聳的山岳與扭曲—斷裂—破碎的地層(圖一)。因此在台灣中央山地的老地層中，可說處處有斷層。

這些在老地層上的斷層大部份已不活動，但在東部歐亞板塊與菲律賓板塊交界的花蓮與台東間，北部、西部的山地與平原或盆地交界處的新地層上，卻有許多活動斷層存在，中央地質調查所在民國八十七年繪製的「台灣活斷層分布圖」就列了五十一條活斷層(圖二)，並將斷層依活動的狀況分類：

(一)第一類活動斷層：距今約一萬年內活動過的斷層，由於未來活動的機會大，屬於最危險的斷層。

(二)第二類活動斷層：距今約十萬年前活動過的斷層。

(三)存疑性斷層：在超過十萬年以上的地層上活動過的斷層。

資料來源：台灣地質概論，何春蓀，1995

圖一台灣板塊及陸弧碰撞立體示意圖 

資料來源：中央地質調查所，張徵正。

圖二台灣活斷層分布圖

這些斷層在斷裂時，會伴生地震，因此可以說是不斷在斷層與地震中誕生---成長---壯大的島嶼。尤其這些活斷層所在的地方，在板塊互相推擠時更容易斷裂而誘發地震，地震時也容易產生斷層或暴露斷層所在的位置，因此活斷層與地震可說是雞生蛋，蛋生雞的關係。

斷層位移的型式

地下岩層受到強大應力作用而發生破裂，且產生錯動，造成斷層。因為各地方作用的應力種類不同，而使位移的方式和方向也產生差別，於是造成斷層有三種不同的基本型式。

1. 正斷層：在拉張力作用之下，位在斷層面上面的上盤岩層，相對於下盤的位移，是往下方滑落。
2. 逆斷層：在壓縮力的作用下，斷層上盤是逆向往上方推移。
3. 平移斷層：如果作用的應力是由兩旁搓動的剪切力作用，形成的是在水平方向錯動的平移斷層。又分為左移斷層和右移斷層，判定的方法是，站在斷層一側看對面另一側，若另一側是向左手邊移動則稱為左移斷層，反之為右移斷層。

四、地震波

當斷層錯動反彈時，蓄積在彈性變形的岩石裡之能量，有一部份消耗在斷層面錯動的摩擦產生熱量，有一部份消耗在碎裂岩石，有一部份則由岩石反彈產生的地震波攜帶，向四面八方傳播出去。

地震波依傳播路徑的不同，可分為實體波和表面波。實體波可在地球內部和地表傳播，又分為P波和S波兩種。表面波只能在地表傳播。由震源產生的地震波有兩種，一種稱為P波(Primary wave)，傳波速度較快；另一種稱為S波(Secondary wave)，速度較慢。這二種震波均可在岩體內部傳遞，故又合稱體波。P波在傳波時，其傳播的介質在沿著傳播的方向上交替產生壓縮與膨脹的變化，有如聲波傳遞的情況一般。P波可以在固體與液體裡傳播。當P波由震源傳抵地表時，部份能量可以傳至大氣中成為聲波，若其頻率恰在音頻範圍，則人們可以聽到，即是所謂的地鳴。S波傳播時，傳波的介質在垂直傳播的方向上振動，而使介質扭曲。由於這種特性，S波是不能在液體(或氣體)—如海洋中—傳播的(因為液體和氣體是不能扭曲的)。

P波和S波的速度和傳波介質的密度及彈性性質有關，地球內部的P波和S波速度通常是隨深度的增加而增加，但在某些深度由於物質或物相的變化而有特別的改變，例如外地核部份即由於是液體的關係而不能傳遞S波且P波速度亦劇降。

體波在傳播時由於地球內部物質的層狀構造及地表界面的作用，又可發育出來只在近地表部份傳播的表面波(Surface wave)，其振幅隨距地表的深度而減少。表面波又可分為二種，一種稱為洛夫波(Love wave)，其傳播介質的振動方式有如沿水平面的S波(SH wave)，在垂直地面的方向上則沒有振動。這種水平的S波振動時，對建築物的傷害最大。另一種表面波稱為雷利波(Rayleigh wave)。有如水波，雷利波的傳波介質之振動方式是在垂直面上的橢圓運動。

表面波的速度較體波慢，其中雷利波又較洛夫波慢些。因此地震後，最早傳到遠處的是Ｐ波，其後依次是S波及表面波。若距離不太遠時，則因各種波的速度差異不大，不易分別。

(一)體內波(body wave)，在地球內部傳播又可分為

1. P波：又稱為壓縮波或縱波，壓縮波通過物體時，組成物體的粒子震動方式一疏一密，震動方向和地震波傳播方向一致或平行。P波的傳播速度最快，它通過時，人們感覺是地表上下震動，破壞力較小，但P波可以在固體與液體內傳播，當P波由震源傳抵地表時，部份能量可以傳導至大氣中成為聲波，若其頻率在人可收聽的音頻範圍內，我們就可以聽到「地鳴」。
2. S波：又稱為剪力波或橫波，當剪力波通過物體時，物體中粒子的震動方式是上下起落或左右擺動，波的傳遞方向和震動方向垂直，S波僅能通過固體，速度較P波慢，破壞力也較大。

(二)表面波(surface wave)，限於地表附近傳播，不進入地殼深處，其振幅隨距地表深度而減少。表面波又可分為兩種：

• 洛夫波(Love Wave)：傳遞介質振動方向有如沿水平面左右擺的S波，在垂直地面方向上沒有振動，對建築物的破壞也很大。
• 雷利波(Rayleigh)：傳播方式有如水波，傳播介質的振動方式是在垂直面上的橢圓運動。如果雷利波很強時，在開闊的地方可以看到地表像海面波浪式的起伏波動，因此就在地表上可感地表上下起伏，建築物左右搖晃。

地震規模與震度

地震規模(Earthquake Magnitude)是判斷一個地震的威力釋放出來能量的尺度，這是美國地震學家芮希特(Charles Francis Richter)根據地震的震波紀錄，創立的地震能量分析標準。它根據地震時地震波振幅的大小，再經由計算公式而得到的結果，每一個地震規模數字代表震源所釋放能量的多寡，這也就是平常所稱的芮氏地震規模。

地震規模公式

• M=log₁₀(A/T)
• M：地震規模
• A：最大振幅
• T：週期

規模與能量的關係

• log₁₀E=5.24+1.44M
• E：釋放能量(焦耳)

依前述公式，芮氏地震規模每一單位的能量增加是前一單位的十倍，譬如規模2的地震所釋放出來的能量是規模1的30倍，規模3的地震則是規模1的900倍。

地震規模是判定一個地震的威力或釋放出來的能量的尺度，它與判定的地點無關，但可隨不同的尺度而異。一般最常用的規模尺度有芮氏規模(ML)，此外，體內波規模(Mb)和表面波規模(Ms)，亦常為地震學家用來描述地震的大小。通常地震規模由地震歷時記錄中最大震幅的對數值(以10為底)，經過適當的距離或和震源深度修正而得的一個數值指標。由於在推求地震規模時使用對數運算及一些修正步驟，規模數值差1所代表的地震能量差異約為25倍左右。以芮氏規模表示，目前已知的最大地震規模為8.9。

一般而言，地震規模愈大，所引起的最大震度(一般為震央地區)也愈大。對同一地震而言則距震央愈近震度愈大，但也有因地質構造特殊而引起的例外現象。

地震震度(Earthquake intensity)則是地震發生時，某一地方地面上的人感受到的振動程度。它是以人的感覺和物體及建築物的影響及破壞程度來判定，是一種較主觀判定的尺度。世界各地使用的震度分級標準不盡相同，目前世界通用的地震震度有12級與7級兩種，美國使用的是12級的麥卡里級數(Mercalli)，台灣自日據時期起即用7級制，即1-6級加上零級(無感地震)，光復後中央氣象局繼續沿用(表一)。地震發生後，主管機關常將震度相同的地方相連並繪成等震度圖，從等震度圖可以大約了該地震所造成的影響或災害概況。

一般而言，地震規模愈大，所引起的最大震度(一般為震央地區為標準)也愈大，對同一地震而言，則距震央愈近，則震度愈大，但也有因地質構造特殊而引起的例外，如台北盆地地層鬆軟，主要由泥、沙與豐富地下水組成，地震波通過時易產生共振放大效應，有人稱為「布丁振動效應」，地震的震度即較鄰近地區為高。

表一中央氣象局之震度分級

五、震度與規模

有些地震可以引起很大的災害，有些卻只引起一場虛驚或根本不為人們所感覺。同一個地震可能在一些地方引起災害，而其他地方卻毫無損傷。為容易區別這些狀況，地震學家用兩種尺度—震度即地震動強度(Intensity)和地震規模(Magnitude)來說明。震度是表示地震發生時，某一個地方地面搖動的程度，它是以人的感覺和物體及建築物的影響及破壞程度來判定，是一種較主觀判定的尺度。世界各地使用的震度分級標準不盡相同，目前台灣地區(中央氣象局)使用的震度階為0~6級。地震發生後，主管機關常將震度相同的地方相連並繪成等震度圖，從等震度圖可以大約了該地震所造成的影響或災害概況。

表一中央氣象局之震度分級

六、地震的破壞

(一)地表隆起變形、斷裂、掩覆

地震波，尤其是L或S波運動時，遇到障礙，地表運動受阻，即會隆起突出，向上拱起，尤其在橋樑兩側最明顯，易產生駝峰形路面，如在山區公路，向谷地側的公路地震波通過時，地表向谷地(低地)方向即產生斷裂、坍陷現象。地表沿斷裂線破裂時，如隆起過高，甚至會前傾，掩覆下方的地物(即逆衝)。這次的921地震，南起竹山北至卓蘭長達約80公里，沿斷層線均產生上盤向上逆衝二至七公尺高的地表變形。尤以斷層通過道路及水稻田的變形最容易觀察。

(二)河床變位

• 斷層通過河道，使河床產生高低落差，甚至形成瀑布與急流。
• 車籠埔斷層經過，使石岡鄉埤豐橋斷裂，大甲溪形成落差5~6公尺的斷層瀑布。

(三)地層液化、噴沙、噴水

• 在平常時之下，土壤、沙礫和水分子維持平衡狀態，地震時由於土壤和水分子的運動，地層中的土、沙、泥、水重新攪拌，即刻成液化狀態，地表若有裂縫，就會產生噴沙、噴水現象。上方建築物失去支持，基礎鬆軟，即會倒坍。
• 地震使伸港鄉大肚溪畔農田產生土壤液化及噴沙現象，地上有一排形似火山口的噴沙孔。

(四)橋樑、水埧斷裂

• 橋樑在地震波通過時會發生：
• 連接縫伸縮縫擠碎、橋面兩側道路隆起。
• 橋面彈起或滑移脫離橋墩後垮落橋墩外。
• 橋墩基礎鬆動，而至傾斜或傾倒，橋面隨之損壞。
• 若橫移斷層通過，橋樑會水平橫移而斷裂。
• 圖例：一江橋斷裂。

水埧的災害在於：

1. 埧體產生裂縫。
2. 若斷層線通過，會產生縱移或橫移(左或右移)而斷裂。
3. 車籠埔斷層通過石岡水壩南側，產生高約9.8公尺的垂直落差，使堅固的水壩斷裂。

(五)山崩

地震波通過搖晃土石，即使地層中的土石喪失摩擦力，重力作用加上進一步的搖晃，大量鬆軟土石即會崩落，山崩的結果有：

• 埋沒道路、房屋。
• 至山谷中阻塞水流，成一臨時埧，形成堰塞湖，但湖水若累積過多，水在將臨時埧擠垮，即會突然潰決，形成大水災。
• 山崩的土石阻塞清水溪流路，形成堰塞湖—新草嶺潭。至民國89年2月止，新草嶺潭已蓄水四千六百萬立方公尺，綿延5公里長。

(六)房屋倒塌、變形

• 集集鎮的房屋倒塌
• 埔里民宅倒塌

地震災害

斷層活動所造成的地震災害是所有天然災害中傷亡最為慘重的一種。表一是世界上一些死亡慘重的地震一覽(如此災情慘重的地震必定與斷層活動有關)。1556年(明朝)發生於中國陜西的一次地震，造成了約83萬人的死亡；本世紀(1976年)發生於中國唐山的一次地震(唐山斷層移動)，亦造成了約70萬人的死亡。凡此皆警示吾人必須重視地震防災。能對地震多一分認識，在地震發生前多做一分準備，則當地震發生時必能減少一分損失。

表二是台灣西部地區近四百年來較大災害地震(有地變及/或較顯著傷亡情形的地震，均為發生在當地且規模在6。5以上的地震)一覽表。這樣的地震，近四百年來，共有22次，且主要是發生在上半世紀；70及80年代幾無災害性地震。近三十年，台灣西部地區人口激增，若再有類似的地震發生，則災情必然更加慘重。不巧，上半世紀地震活躍期又將來臨，吾人有必要更加重視地震防災，以防範於未然。

台灣東部地區是全世界地震次數最多的地方。其地震防災所須受到重視的程度，自然不應小於西部地區。

七、台灣的地震帶

(一)東部地震帶

地震頻繁占台灣80%以上，由於菲律賓板塊的擠壓與橫移在由花東至台東的縫合線上產生一連串的活動斷層及地震，如著名的美崙斷層、瑞穗—玉里斷層。

(二)東北部地震帶

菲律賓板塊隱沒在歐亞板塊下方後，形成琉球海溝、島弧與沖繩海槽，東北部的蘭陽平原位於沖繩海槽西側末端，地殼張裂時會產生地震。

(三)西部地震帶

地震頻度不高，但大部分為淺源地震，地震爆發出來的能量無法削減常產生巨大破壞，主要產生原因為中央山地受菲律賓板塊擠壓後產生隆起，在山地的西緣斷裂、逆衝至平原上。重要的斷層線有獅潭斷層、屯子腳、三義、梅山、觸口、車籠埔、雙冬、新化等斷層。

表二台灣主要災害地震(1898-1991)

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